BAHAN SUPERKONDUKTOR
Pengertian Bahan Superkonduktor
Bahansuperkonduktor merupakan suatu bahan yg dapat mengalirkan arus listrik tanpatahanan listrik sedikitpun (R = 0). Bahan ini terdiri berdasarkan adonan unsur-unsurtertentu yang bisa mengalirkan arus listrik tanpa adanya tahanan pada suhuyang sangat rendah. Arus yang mengalir pada rangkaian tertutup menurut bahansuperkonduktor akan terus mengalir selamanya.
Suhu serta Medan Magnet Kritis
Untukmenghasilkan keadaan atau syarat superkonduktor membutuhkan syarat yaitu suhukritis (Tc), suhu kritis ini bervariasi menurut tiap material, suhu kritis inibiasanya antara 0⁰K sampai 130⁰K, di bawah suhu kritis akan menghasilkanhambatan bernilai 0 serta bersifat diamagnetik. Dari penelitian, logam murniseperti emas atau tembaga yg pada suhu ruang merupakan konduktor yg sangatbaik, justru memiliki suhu kritis yg ekstrim, pada bawah 4K buat menjadisuperkonduktor. Adalah keramik yg mempunyai titik kritis relatif tinggi, diatas titik didih nitrogen cair, sehingga lebih gampang buat diaplikasikan.padahal keramik merupakan isolator yg baik dalam suhu ruang.
a) Temperatur Kritis (Tc)
Ketikatemperature bahan diturunkan menurut temperatur ruang normal hingga dalam batastemperature tertentu bahan ini akan memiliki sifat superkonduktor. Temperatur bahan dalam waktu terjadinyaperubahan sifat bahan ini dinamakan sebagai temperature kritis (Tc).
Contoh grafik Hambatan terhadap suhu pada bahan YBa2Cu3O7 atau YBCO (Yatrium-Barium-Tembaga-Oksida)adalah menjadi berikut :
Gambar Hambatan Terhadap Suhu.
Prinsip kerjanya merupakan ketika benda atau bahan superkonduktor berada pada loka yg mempunyai derajat suhu diatas suhu rata-rata yang dimiliki bahan superkonduktor tadi, maka sifat superkonduktornya akan rusak dan menjadi bahan konduktor biasa.
b) Medan MagnetKritis
Medanmagnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sebagai akibatnya bahan superkonduktormemiliki medan magnet. Prinsip kerjanya adalah bila bahan superkonduktor yg berada dalam lingkunganmedan magnet yg kuat medan magnetnya lebih kecil berdasarkan medan magnet kritismaka bahan superkonduktor tersebut akan ditolak oleh medan magnet (mengalamiefek meissner), sebaliknya bila kuat medan magnet luarnya lebih besar darimedan magnet kritisnya maka bahan superkonduktor tadi akan berubah menjadikeadaan normal (nir mengalami impak meissner). Ketika bahan superkonduktor didinginkan di bawah temperature kritis (Tc) serta medan magnet dinaikkan secara bertahap diatas medan magnet eksklusif (Hc) maka sifat superkonduktivitas bahan akan hilang sebagai akibatnya sebagai bahan konduktor biasa.
c) Efek Meissner
Ketika superkonduktor ditempatkan pada medan magnet luar yg lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor dalam jeda yang sangat mini dan dinamakan London Penetration Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth lebih kurang 100 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol. Peristiwa ini dinamakan Efek Meissner serta adalah krakteristik menurut superkonduktor. Efek Meissner merupakan dampak dimana superkonduktor membentuk medan magnet. Efek Meissner ini sangat bertenaga sehingga sebuah magnet bisa melayang karena ditolak sang superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar . Apabila medan magnetnya terlalu akbar, maka dampak Meissner ini akan hilang serta material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.
ContohgambarefekmeissnerpadaBahanSuperkonduktor :
Gambar Efek Meissner
Jenis Bahan dan Tipe Superkonduktor
a)Penemuan Bahan Superkonduktor
Dalambeberapa tahun terakhir para ilmuwantelah menemukan berbagai macam bahan yg bisa menjadi superkonduktor.bahan-bahan tadi diantaranya:
a. Mercury (1911): Superkonduktor pertamaditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untukmendinginkan mercury di bawah suhu transisi superkonduktor yaitu 4,dua Kelvin.
b. Niobium Alloy (1941): Penggunaansuperkonduktor dalam industri terjadi sesudah tahun 1961. Saat itu, parailmuwan menemukan bahwa niobium tin (Nb3Sn), yg sebagai superkonduktor padasuhu 18,3 Kelvin, dapat membawa arus yg tinggi dan tahan terhadap medanmagnet akbar.
c. Niobium germanium (1971): Bahan ini(Nb3Ge) memegang rekor temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hinggatahun 1986.
d. Heavy Fermion (1979): SuperkonduktorHeavy Fermion seperti uranium platina (UPt3) sangat luar biasa karena memilikisecara efektif memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teorikonvensional nir bisa menyebutkan sifat superconductivity materi ini.
e. Cuprates (1986): Cuprates merupakansuperkonduktor suhu tinggi yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapatdidinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih dalam suhu 77 Kelvin.
f. Fullerenes (1991): Solid kristal terbuatdari buckyballs (C60) yg menjadi superkonduktor saat didoping dengan atomlogam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.
g. HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengantalium, cuprate ini mempunyai paling suhu transisi tertinggi dalam tekananatmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini sebagai superkonduktor dalam suhu 164Kelvin.
h. Magnesium diboride (2001): Suhu transisiyang luar biasa tinggi dari magnesium diboride adalah masalah luar biasa darisuperkonduktor konvensional.
i. Iron pnictides (2006): Hideo Hosonomerupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis ke 2 superkonduktorsuhu tinggi.
b) BahanSuperkonduktor
Bahan semikonduktor yg pertama ditemukanadalah raksa oleh Heike Kammerlingh Onnes dalam tahun 1911. Selain merkuri,ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga memperlihatkan sifat superkonduktordengan harga Tc yang berbeda. Beberapa model bahan superkonduktor yangberhasil ditemukan dan suhu kritisnya bisa dilihat pada tabel berikut,
Tabel Bahan Superkonduktor
No
Bahan
Suhu Kritis (Tc)K
Tahun Ditemukan
1
Raksa Hg
4,2
1911
2
Timbal Pb
7,2
1913
3
Niobium nitrida
16,0
1960-an
4
Niobium-tiga-timah
8,1
1960-an
5
Al0,8Ge0,2Nb3
20,7
1960-an
6
Niobium germanium
23,2
1973
7
Lanthanum barium Tembaga oksida
28
1985
8
Yattrium barium tembaga
oksida (1-dua-3 atau YBCO)
oksida (1-dua-3 atau YBCO)
93
1987
9
Thalium barium kalsium
Tembaga oksida
Tembaga oksida
125
-
10
Karbon ( C )
15
-
11
HgBa2Ca2Cu3O8
164
1995
c) Bahan Superkonduktor nir terjadi dalam :
·Emas
·Perak
·Bahan ferromagnetic
d) Kelas Superkonduktor
Kelas I, (Low TemperatureSuperconductor) merupakan bahan yg wajib berada dalam suhu
yang sangat rendahuntuk memiliki sifat superkonduktor.
Kelas II (High TemperatureSuperconductor) merupakan bahan yg dapat berada dalam suhu diatas bahan kelas Iuntuk menjadi superkonduktor.
e) Teori BCS
Pemahaman tentang superkonduktivitas ditelitilebih jauh pada tahun 1957 olehtiga fisikawan Amerika, John Bardeen, LeonCooper dan John Schrieffer, melaluiteori mereka yg diklaim teori BCS. TeoriBCS mengungkapkan superkonduktivitas pada suhu mendekati nol absolut. Coopermembuktikan bahwa kisi vibrasi atomsecara pribadi mempengaruhi arus. Merekamemaksa electron buat berpasangan dandapat melewati seluruh penghambat yg mengakibatkan resistansi(kendala) padakonduktor. Gabungan electron ini dikenal menggunakan pasanganCooper (Cooper pairs).cooper serta sahabat-temannya tahu bahwa electron yang normalnya saling tolakmenolak, akan mengalami tarik menarik padasuperkonduktor. Jawaban menurut masalahini ditemukan dalam phonon, paketgelombang bunyi yang ada pada kisi yangbervibrasi. Walaupun vibrasi kisi ini tidak dapat didengar, kiprahnya sebagaimoderator sangat dibutuhkan.
f) Tipe-tipeSuperkonduktor
Berdasarkaninteraksi menggunakan medan magnetnya, maka superkonduktor dapat dibagi sebagai duatipe yaitu Superkonduktor Tipe I serta Superkonduktor Tipe II.
Superkonduktortipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, serta Schrieffer) dijelaskan denganmenggunakan pasangan elektron (yg acapkali disebut pasangan Cooper). Pasanganelektron berkiprah sepanjang terowongan penarik yg dibentuk ion-ion logam yangbermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini aruslistrik akan berkiprah menggunakan merata serta superkonduktivitas akanterjadi. Superkonduktor yg berkelakuan misalnya ini disebutsuperkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai menggunakan impak Meissner,yakni tanda-tanda penolakan medan magnet luar (asalkan bertenaga medannya tidak terlalutinggi) sang superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejalasuperkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akanterus – menerus menolak medan magnet yg diberikan sampai mencapai medanmagnet kritis. Kemudian dengan tiba-datang bahan akan berubah kembali ke keadaannormal. Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan merupakan unsur-unsur tunggal.
Superkonduktortipe II ini nir dapat dijelaskan menggunakan teori BCS lantaran apabilasuperkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS, efek Meissner nyatidak terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru buat menjelaskansuperkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasanganelektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang.abrisokov bisa memperlihatkan bahwa parameter tadi dapat mendeskripsikanpusaran (vortices) dan bagaimana medan magnet bisa memenetrasi bahan sepanjangterowongan dalam pusaran-pusaran ini. Lebih lanjut dia pun menggunakan secara mendetaildapat memprediksikan jumlah pusaran yg tumbuh seiring meningkatnya medanmagnet. Teori ini adalah terobosan dan masih dipakai pada pengembangandan analisis superkonduktor serta magnet. Superkonduktortipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifatkemagnetan tidak datang-tiba tetapi secara sedikit demi sedikit. Pada suhu kritis, maka bahanakan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor Tipe II mempunyai suhu kritisyang lebih tinggi berdasarkan superkonduktor tipe I. Kelompok superkonduktor tipe II,umumnya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn),vanadium (V), germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakansenyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.
Karakteristik dan Sifat Pada Bahan Superkonduktor
Karakteristikdari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai noldan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawahsuhu kritisnya. Adapun sifat dari bahan superkonduktor adalah menjadi berikut :
a) Sifat Kelistrikan Superkonduktor
Ketika medanlistrik diberikan dalam bahan logam,elektron akan mendapat percepatan, medanlistrik akan menghamburkan elektron ke segala arah serta menumbuk atom-atom padakisi hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor. Padabahan superkonduktor terjadi pula interaksi antara elektron dengan inti atom tetapi elektron dapat melewati inti tanpamengalami hambatan dari atom kisi,pengaruh ini dapat dijelaskan oleh Teori BCS.
b) Sifat Kemagnetan Superkonduktor
Jika sebuahsuperkonduktor ditempatkan dalam medan magnet, maka nir akan terdapat medan magnet dalam superkonduktor, hal ini terjadi karena superkonduktormenghasilkan medan magnet pada, bahan yg berlawanan arah dengan medan magnetluar yg diberikan. Efek ini dinamakan dampak meissner
c) Sifat Quantum Superkonduktor
Teori dasarkuantum buat superkonduktor adalah teori BCS (1957). Teori BCSmenjelaskan bahwa elektron tunggal dalam bahan superkoduktor tidak dapatmenghantarkan listrik melainkan harus berpasangan dan seluruhnya berada dalamkeadaan kuantum yg sama, yg dikenal dgn pasangan Cooper (Cooper pairs).
Pemanfaatan Superkonduktor
Dasarpenggunaan semikonduktor adalah terbentuknya sambungan p-n (p-n juncktion),dimana semikonduktor tipe-p serta tipe-n digabungkan yg merupakan dasarterjadinya terjadinya revolusi industri akibat ditemukan transisistor olehwiliam Shocklye, John Barden dan Walter Brattain di laboratorium Bell padatahun 1948. Pemanfaatan superkonduktor diantaranya :
a)Kabel Listrik
Denganmenggunakan bahan superkonduktor, maka energi listrik tidak akan mengalami
disipasikarena hambatan dalam bahan superkonduktor bernilai nol (lebih tepatnyamendekati 0) sebagai akibatnya penggunaan energi listrik akan semaki efektif.
b) Kereta Maglev (Magnet Levitation)
Prinsipkerja berdasarkan kereta Maglev ini adalah memanfaatkan gaya angkat magnetik padarelnya yang pada akibatkan sang imbas Meissner yaitu pengankatan Magnet olehSuperkonduktor sehingga terangkat sedikit ke atas,
kemudiangaya dorong didapatkan oleh motor induksi. Kereta ini mampu melaju dengankecepatan 650 kmjam.
c) Magnetic Resonance Imaging
Dipergunakandalam bidang kedokteran. Menggunakan medan magnet serta gelombang radio sehinggalebih kondusif dibandingkan X-ray.
d) Superconducting QuantumInterference Device (SQUID)
Dapatmendeteksi medan magnet sangat mini . Dipakai mencari minyak dan mineral.
e)Generator
Generatorkonvensional yg memakai kawat tembaga mempunyai efisiensi 98,lima-99,0persen, sedangkan generator superkonduktor efisiensinya dapat mencapai 99,6persen.
Halini disebabkan superkonduktor bisa membuat medan magnet sangat kuatsehingga generator dapat dibentuk menggunakan berukuran lebih kecil menurut yangkonvensional.
Jepangtelah membangun generator superkonduktor berdaya 70 MW.
Nah..itulah beberapa penjelasan mengenai bahan superkonduktor, semoga bisa membantu bagi sobat dalam mengerjakan tugas.
